基于監(jiān)測及排水模型的海綿城市片區(qū)建設(shè)效果評估

洪德松

《全國海綿城市建設(shè)規(guī)范化評價(jià)手冊（2020）》與《海綿城市建設(shè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51345—2018）要求海綿城市建設(shè)評價(jià)應(yīng)以排水分區(qū)達(dá)標(biāo)為考核標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)排水分區(qū)及建成區(qū)整體的海綿效應(yīng)，鼓勵(lì)采用“監(jiān)測+模型”的評估方式。

為及時(shí)定量化評估海綿城市建設(shè)效果和績效考核，近年來國家級試點(diǎn)城市及部分省級試點(diǎn)城市已開展了一系列監(jiān)測評估工作[1]。海綿城市監(jiān)測和評估涉及規(guī)劃、設(shè)計(jì)、工程、設(shè)備、模型以及管理等多個(gè)方面，現(xiàn)階段基于監(jiān)測的海綿城市片區(qū)達(dá)標(biāo)評估的研究工作剛起步，還面臨一定的困難和挑戰(zhàn)。例如，如何合理布置監(jiān)測點(diǎn)，如何確定模型參數(shù)，如何有效進(jìn)行效果評估等，都是亟待解決的問題[2]。本文以深圳市龍崗區(qū)某中心城區(qū)為例，通過構(gòu)建海綿城市監(jiān)測評價(jià)體系，科學(xué)評價(jià)區(qū)域內(nèi)的海綿城市建設(shè)成效，一方面可以為海綿城市相關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)建設(shè)提供技術(shù)支持，另一方面也可以積累本地化參數(shù)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 研究區(qū)概況

研究片區(qū)位于深圳市龍崗區(qū)二級排水分區(qū)內(nèi)，總面積為494 萬m2，其中，位于生態(tài)控制線內(nèi)的面積為206 萬m2，建設(shè)用地面積為288 萬m2。片區(qū)內(nèi)公園綠地面積為145.45 萬m2，水域面積為11.4 萬m2，合計(jì)占比31.76%。片區(qū)降水時(shí)空分布不均，降雨主要分布在4 ～9月，全年降雨量變化較大，多年平均降雨量約2 000 mm。片區(qū)內(nèi)有一級支流愛聯(lián)河，但已經(jīng)暗渠化。

1.2 監(jiān)測評價(jià)指標(biāo)

結(jié)合目前國內(nèi)海綿城市監(jiān)測評估相關(guān)研究，確定片區(qū)、典型項(xiàng)目以及水體3大監(jiān)測評價(jià)對象，片區(qū)整體評價(jià)年徑流總量控制率情況，典型項(xiàng)目評價(jià)年徑流總量控制率、年徑流污染控制率以及徑流峰值控制情況，水體評價(jià)水質(zhì)情況[3，4]。相應(yīng)的監(jiān)測對象和指標(biāo)如表1 所示。

表1 監(jiān)測對象和指標(biāo)

2 模型構(gòu)建

2.1 模型搭建

本研究采用MIKE 系列軟件，構(gòu)建含有管網(wǎng)、地形以及河道等多種要素的區(qū)域海綿城市模型。一維管網(wǎng)模型將片區(qū)管網(wǎng)、雨水井、排放口以及匯水區(qū)等要素相關(guān)聯(lián)，二維模型將地形要素與管網(wǎng)耦合，考慮到建筑物對二維水流的阻礙作用，相應(yīng)拔高處理計(jì)算單元內(nèi)的建筑，并挖低處理路網(wǎng)[5]。監(jiān)測評估區(qū)域模型如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測評估區(qū)域模型（來源：作者自繪）

2.2 模型率定

模型率定是指調(diào)整模型參數(shù)以使實(shí)測資料擬合達(dá)到最優(yōu)化，任何模型的任一參數(shù)都可以通過參數(shù)率定方法來確定。模型率定采用誤差指標(biāo)納什效率系數(shù)（Nash—Sutcliffe）。

式中，Q0(t)代表在t時(shí)刻的實(shí)測值，Qm(t)代表在t時(shí)刻的模擬值。其中，ENS的取值范圍為（—∞，1），ENS值越接近1，表明曲線吻合程度越高。通過調(diào)整模型參數(shù)對模型進(jìn)行率定，提高模型的準(zhǔn)確度，本次研究模型參數(shù)主要有管網(wǎng)模型參數(shù)和二維地表模型參數(shù)。

2.2.1 管網(wǎng)模型參數(shù)

管網(wǎng)模型參數(shù)主要有徑流系數(shù)、匯水區(qū)粗糙系數(shù)、匯水區(qū)洼地蓄水參數(shù)、入滲系數(shù)以及管道粗糙系數(shù)等。一是徑流系數(shù)。徑流系數(shù)基于各匯水區(qū)不同下墊面（建筑、道路、水體、綠地、廣場等）按面積加權(quán)綜合計(jì)算得出。二是匯水區(qū)粗糙系數(shù)。不透水粗糙系數(shù)為0.018，透水粗糙系數(shù)為0.25。三是匯水區(qū)洼地蓄水參數(shù)。不透水洼地蓄水量1.26 mm，透水洼地蓄水量為3 mm。四是入滲系數(shù)。最大入滲率為85 mm/h，最小入滲率為7 mm/h，衰減常數(shù)為4/h。五是管道粗糙系數(shù)。根據(jù)不同材質(zhì)取值為0.008 ～0.014。

2.2.2 二維地表模型參數(shù)

二維地表模型參數(shù)主要有時(shí)間步長、地形精度、模擬干濕水深、渦粘系數(shù)以及地表糙率等。第一，時(shí)間步長取1 s。第二，地形精度網(wǎng)格大小為2 m×2 m。第三，干、濕水深分0.002 m 和0.005 m。第四，渦粘系數(shù)取32。第五，地表糙率取0.013。

3 監(jiān)測評估分析

3.1 排水分區(qū)監(jiān)測評估方案

3.1.1 監(jiān)測思路

片區(qū)的監(jiān)測指標(biāo)為水量指標(biāo)，包括降雨量指標(biāo)和市政管網(wǎng)的流量指標(biāo)。在區(qū)域內(nèi)本項(xiàng)目河道排口和雨水管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處安裝在線流量計(jì)，連續(xù)監(jiān)測1 年的流量指標(biāo)。

3.1.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

片區(qū)布置雨量監(jiān)測點(diǎn)1處（監(jiān)測點(diǎn)1），流量監(jiān)測點(diǎn)6 處，包括管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)5處、管網(wǎng)入河排口點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)1 處（監(jiān)測點(diǎn)4）。具體監(jiān)測點(diǎn)布置見圖2。

圖2 監(jiān)測評估區(qū)域監(jiān)測點(diǎn)布置圖（來源：作者自繪）

3.1.3 監(jiān)測評估結(jié)論

選取2020 年10 月～2021 年10 月的降雨數(shù)據(jù)評估海綿城市徑流的控制效果。年徑流總量控制率60%對應(yīng)設(shè)計(jì)降雨深度21.6 mm，年降雨量1 875 mm。通過監(jiān)測和模型分析，片區(qū)雨水系統(tǒng)的最后出流量為685 mm，計(jì)算出片區(qū)的年徑流總量控制率為63.5%，滿足60%的目標(biāo)要求。

3.2 典型項(xiàng)目監(jiān)測方案

3.2.1 監(jiān)測思路

選擇具有海綿城市建設(shè)理念的建筑小區(qū)、道路廣場以及公園綠地等項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測評價(jià)。對接入市政管網(wǎng)、水體的溢流排水口或檢查井處的排放水量、水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)1 年的監(jiān)測。水質(zhì)指標(biāo)為懸浮物（Suspended Solids，SS），SS 濃度采用《水質(zhì) 懸浮物的測定 重量法》（GB 11901—89）進(jìn)行測定。

3.2.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

選取研究區(qū)內(nèi)的建筑小區(qū)類、公園綠地以及道路廣場類典型項(xiàng)目各一個(gè)，每個(gè)項(xiàng)目的每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行流量和水質(zhì)監(jiān)測，總計(jì)布置17 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。第一，建筑小區(qū)類（深圳北理莫斯科大學(xué)，新建）：8 處水量水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)位，其中有5處管網(wǎng)排口監(jiān)測點(diǎn)，如圖3（a）所示。第二，公園綠地類（大運(yùn)公園，新建）：3 處水量水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)位，如圖3（b）所示。第三，道路廣場類（國際大學(xué)園路，改建）：6 處水質(zhì)水量監(jiān)測點(diǎn)位，如圖3（c）所示。

圖3 各類項(xiàng)目監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖（作者自繪）

3.2.3 監(jiān)測評估結(jié)論

（1）徑流總量控制率和徑流污染控制率。通過監(jiān)測和模型評估分析，深圳北理莫斯科大學(xué)項(xiàng)目年徑流總量控制率為62.3%，滿足60%的要求，SS 污染的控制率為72.5%，滿足70%的要求；大運(yùn)公園項(xiàng)目年徑流總量控制率為79%，滿足75%的要求，SS 污染的控制率為75%，滿足70%的要求；國際大學(xué)園路項(xiàng)目年徑流總量控制率為64.9%，滿足60%的要求，SS 污染的控制率為47.5%，滿足40%的要求。

（2）徑流峰值控制。根據(jù)對深圳北理莫斯科大學(xué)5 個(gè)排口的徑流峰值控制進(jìn)行評估，改造后相比改造前外排徑流峰值流量削減率分別為6.5%、10.7%、9.1%、10.1%、4.6%，所有監(jiān)測點(diǎn)處均滿足改造后不高于改造前的要求。

3.3 城市水環(huán)境監(jiān)測評估方案

3.3.1 監(jiān)測思路

水環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)主要包括透明度、溶 解 氧（Dissolved Oxygen，DO）、氧化還原電位（Oxidation-Reduction Potential，ORP）和氨氮（NH3-N）。根據(jù)《海綿城市建設(shè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51345—2018），將采樣點(diǎn)設(shè)于置水面下0.5 m 處，水深不足0.5 m 時(shí)應(yīng)設(shè)置在水深的1/2處。每7～14 d應(yīng)至少取樣1次，且降雨量等級不低于中雨的，降雨結(jié)束后1 d 內(nèi)至少取樣1 次，連續(xù)測定1 年；采樣時(shí)段自采樣點(diǎn)產(chǎn)流開始，150 min內(nèi)采樣10 次，分別在0 min、5 min、10 min、15 min、20 min、40 min、60 min、90 min、120 min、150 min 時(shí)采樣。如果降雨歷時(shí)較短，則采樣至產(chǎn)流結(jié)束。實(shí)際采樣時(shí)間點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際降雨和產(chǎn)流情況靈活調(diào)整。

3.3.2 監(jiān)測評估結(jié)論

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，片區(qū)水體的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均滿足表1 中的要求。

4 結(jié)語

綜上所述，通過“監(jiān)測+模型”手段可以有效評估片區(qū)海綿城市建設(shè)效果和典型海綿項(xiàng)目的建設(shè)成效，經(jīng)過評估，研究片區(qū)徑流總量控制達(dá)到63.5%，滿足60%的目標(biāo)要求，且典型項(xiàng)目徑流總量控制率、徑流污染控制率以及徑流峰值削減等指標(biāo)均滿足要求；通過監(jiān)測手段，可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測片區(qū)內(nèi)水體水環(huán)境情況，均滿足相關(guān)要求；通過開展監(jiān)測評估工作，可以科學(xué)合理評估片區(qū)海綿城市建設(shè)成效，從規(guī)劃、設(shè)計(jì)以及建設(shè)等各個(gè)環(huán)節(jié)更好地管控海綿城市建設(shè)項(xiàng)目。在后續(xù)監(jiān)測評估中，可逐漸減少監(jiān)測設(shè)備的安裝，減少財(cái)政資金投入。